通用航空無人機飛行管控系統設計

■ 王夢璇

引言

本文旨在結合中國民航最新政策法規，設計一種無人機飛行管控系統“G-Cloud”，可以直接對無人機的位置、高度、速度等數據進行實時監測；利用互聯網和云技術的手段，將海量的文字及數據信息通過系統終端直觀呈現。系統使用雷達實現對活動目標自動跟蹤監測、并結合視頻監控實現安防系統的數字化、智能化和網絡化。系統主要功能包括：單個或多個目標自動探測、跟蹤運動目標、區域報警設置、智能自動值班、目標軌跡、信息回放、目標自動識別等。

1 系統總體結構

如下圖所示，G-Cloud 由機載數據采集設備、低空監測設備、監控中心、工作終端四大部分組成：

圖1 系統網絡結構拓撲圖

1.1 機載數據采集設備

機載數據采集設備含定位模塊、無線通訊模塊及ADS-B 模塊。無人機飛行過程中，定位模塊會按一定頻率接收定位衛星下發的最新位置信息，然后機載盒體會通過無線通訊及ADS-B 兩種方式實時向監控平臺實時提交最新位置信息。

1.2 低空監測設備

低空監測設備包括安裝在監控現場的低空監控雷達和監控攝像機。

低空監控雷達：雷達對探測區域內的無人機等活動目標進行搜索、獲取目標的位置，方向，速度等信息，并定時上報給雷達數據處理服務器。

監控攝像機：安裝在現場的智能網絡攝像機，監控中心能夠根據雷達探測追蹤目標控制攝像頭旋轉角度，對目標進行攝像；并將目標的視頻數據傳送給光電數據處理服務器。

1.3 監控平臺

監控中心由管理主機、機載數據處理服務器、雷達數據處理服務器、光電數據處理服務器、Web 服務器、APP 接口服務器、視頻存儲設備、數據庫服務器組成，是整個系統的核心部分。監控中心采集雷達定時發送的目標監測數據、根據目標的經緯度，方向，速度，將活動目標的運動軌跡在地圖上顯示，并控制攝像機的旋轉，對報警目標進行拍攝，同時進行大屏幕播放。監控中心將雷達數據實時存入數據庫，將視頻文件存入視頻存儲設備。監控中心為安保人員提供web、手機APP、現場大屏幕等展示接口。

機載數據處理服務器：負責采集無人機定時上報的經緯度、高程、時間等數據，同時將這些數據存入數據庫。

雷達數據處理服務器：負責采集雷達定時發送的目標監測數據、雷達數據包括目標x 坐標、目標y 坐標、目標z坐標、目標方位角、目標絕對速度、目標距離、目標批號、數據周期等，同時將雷達數據存入數據庫。

光電數據處理服務器：負責控制攝像機，對報警目標進行攝像，并接收攝像機實時傳送的視頻數據，傳送到大屏幕播放，同時將視頻文件存入視頻存儲設備。

Web 服務器：Web 服務器負責整個監控平臺系統的功能及數據展示，是整個平臺的展示窗口。

APP 接口服務器：APP 接口服務器將現場報警信息推送到安保人員的手機APP 上，安保人員可以通過手機APP 查看現場報警信息。

視頻存儲設備：存儲攝像機拍攝的視頻文件。目前視頻存儲有三種成熟的解決方案：存儲服務器方案、IP-SAN方案、云存儲方案。存儲服務器方案擴展比較困難，云存儲方案成本比較高，本系統采用IPSAN 方案，IP-SAN 方案具體介紹見數據存儲方案設計章節。

數據庫服務器：數據庫服務器為數據采集、處理服務器提供共享存儲空間和內容一致性的存儲區域，存儲大量雷達監測數據以及管理設置數據。數據庫服務器采用主從同步，讀寫分離方式存儲數據。

管理主機：監控整個系統服務器運行狀態以及網絡性能。

1.4 工作終端

工作終端包括安保人員使用的電腦和手機、大屏幕顯示終端、聲光報警終端。工作人員可以通過前端電腦瀏覽器登錄，管理整個系統，實時了解到現場監控情況；報警信息也會實時推送到工作人員手機上；另外大屏幕實時播放監控現場視頻。

2 系統分層結構

G-Cloud 平臺軟件結構從邏輯上分為物理層、網絡層、數據采集層、應用支撐層、系統應用層、信息展示層等六層。該系統采用組件式結構，靈活方便，并有良好的通用性和可擴展性。基于該模型可迅速組建各種應用模式的無人機監管解決方案。系統的分層結構如下圖所示：

圖2 分層結構圖

2.1 物理層

物理層包括監控雷達、監控智能網絡攝像機、數據存儲設備、聲光報警設備以及服務器等物理硬件設備，是整個系統的硬件基礎。

2.2 網絡層

網絡層包括WLAN/LAN、3G/4G/5G網絡、WIFI 等通信方式，監控雷達、監控攝像機與監控中心之間的數據通過WLAN/LAN 通信，監控中心與安保人員手機APP 通過3G/4G/5G 網絡通信。

2.3 數據層

數據層包括雷達數據采集、光電數據采集等。數據層為應用支撐層提供數據基礎。

2.4 應用支撐層

應用支撐層包括地圖引擎、數據處理、數據分析、視頻解碼、數據庫等。應用支撐層主要依賴地圖、活動目標的參數，預測目標運行軌跡，為應用層提供功能基礎。

2.5 應用層

應用層包括、實時監控、實時報警、目標跟蹤、目標軌跡回放、目標流量監測、自動值班功能、視頻目標識別、抓拍功能、報警區域設置、目標地圖顯示、視頻播放、日志管理、用戶管理、歷史報警、攝像頭運轉情況、雷達運轉狀況、軌跡回放、角色管理、設備管理、分時報警統計、區域報警統計、目標類型統計、目標趨勢統計等功能，具體可見下一節系統功能。

2.6 展示層

展示層包括web 界面展示、手機APP 展示、中心大屏幕展示；監控管理人員可以通過web 界面、中心大屏幕，便捷了解監控現場的實時情況、并可以對系統進行設置。

2.7 依賴和規則

雷達和光電的綜合安防系統依賴現場地圖，并遵守視頻標準、以及第三方協議等。

3 系統工作流程

3.1 機載數據采集設備工作流程

機載數據采集設備工作流程流程主要包含機載數據接收及處理流程、視頻數據處理流程、以及監控流程等。系統流程圖如下圖所示：

3.2 機載數據處理流程

飛行中的無人機實時將最新位置及飛行狀態數據上報給機載數據處理服務器，機載數據處理服務器分析處理數據，并將數據存儲在數據庫服務器；過程中如果需要報警，機載數據處理服務器將通過光電數據處理服務器發送指令給攝像機，打開攝像機對目標進行攝像，同時發送報警信息給聲光報警設備和APP服務器，APP 服務器將報警信息推送到安保人員手機上。

圖3 系統流程圖

3.3 視頻數據處理流程

攝像機將現場視頻上傳給光電數據處理服務器，光電數據處理服務器將視頻發送給現場大屏幕，同時保存到視頻存儲設備上；安保人員可以通過光電數據處理服務器將攝像機設置參數發送給攝像機。

3.4 監控流程

安保人員通過監控前臺查看監控現場狀況，安保人員也可以通過監控前臺界面向攝像機發出設置指令，指令通過光電數據處理服務器傳送給攝像機。

3.5 地面雷達及光電工作流程

主要包含雷達數據處理流程、視頻數據處理流程、以及監控流程等。系統流程圖如下圖所示：

圖4 系統流程圖

3.6 監控雷達數據處理流程

安裝在現場的監控雷達實時將活動目標數據上報給雷達數據處理服務器，雷達數據處理服務器分析處理數據，并將數據存儲在數據庫服務器；如果發現報警目標，雷達數據處理服務器將通過光電數據處理服務器發送指令給攝像機，打開攝像機對目標進行攝像，同時發送報警信息給聲光報警設備和APP 服務器，APP 服務器將報警信息推送到安保人員手機上。

3.7 視頻數據處理流程

攝像機將現場視頻上傳給光電數據處理服務器，光電數據處理服務器將視頻發送給現場大屏幕，同時保存到視頻存儲設備上；安保人員可以通過光電數據處理服務器將攝像機設置參數發送給攝像機。

3.8 監控流程

安保人員通過監控前臺查看監控現場狀況，安保人員也可以通過監控前臺界面向雷達和攝像機發出設置指令，指令通過雷達數據處理服務器、光電數據處理服務器傳送給監控雷達或者攝像機。

4 總結

G-Cloud 能夠實現無論在辦公室還是室外,隨時通過電腦、手機端管理和監視各類型無人機；有效提升監管部門協同效率及管理能力，飛行計劃快速報批,讓用戶贏得起飛時間；支持互聯網/3G/4G/5G/ADS-B 北斗低空雷達等多種鏈路數據實時接入，結合禁飛區數據和電子圍欄,無人機飛行過程實時監視，自動告警。